KR100657764B1

KR100657764B1 - 상호 결합된 링 공진기 반사기

Info

Publication number: KR100657764B1
Application number: KR1020050013046A
Authority: KR
Inventors: 영 철 정; 나디르 데글리
Original assignee: 영 철 정
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-12-14
Also published as: KR20060092348A

Abstract

본 발명은 기존의 파장 선택형 광 반사기 구조에 비해 쉽게 구현 가능한 구조에 대한 것으로, 기본적인 사진인화 (Photo Lithography) 공정으로 구현이 가능하다. 본 발명의 구조는 방향성 결합기를 통하여 광 파워의 교류를 유발하도록 고안된 다수의 링 공진기와 이것과 결합된 직선 도파로로 구성되어 있다. 다수의 링 공진기에 의해 특정 파장에 대해서 높은 반사 효율을 가질 수 있고, 기존의 분포형 Bragg 반사기 구조는 제작 공정이 복잡하기 때문에 수율이 낮지만 본 발명의 구조는 현재의 공정기술에서 쉽게 제작할 수 있기 때문에 높은 수율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 본 발명의 구조는 광 도파로로 구성되어 있기 때문에 추가적인 물질의 성장이 필요 없고, 다른 광소자와 쉽게 집적하여 제작이 가능하다.

광도파로, 반사기, 링 공진기, 공진기, 광집적회로

Description

상호 결합된 링 공진기 반사기 {Coupled-Ring Reflector}

도 1 CRR(Coupled-Ring Reflector) 의 개략적인 평면도,

도 2 CRR(Coupled-Ring Reflector) 에 사용되는 도파로 단면의 예,

도 3 격자구조 (Grating)를 이용한 DBR (Distributed Bragg Reflector)의 개략도,

도 4 CRR의 반사 특성 계산 결과의 예시,

도 5 전반사 거울 및 다중모드간섭 결합기가 포함된 링 공진기로 구성된 CRR의 개략도.

< 도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11: 직선 도파로 12: 첫 번째 링 공진기

13: 두 번째 링 공진기 21: 매립형 광 도파로

22: 리지형(ridge) 광 도파로 50: 전반사 거울

51: 다중모드 간섭결합기 52: 입사파

53: 반사파 54: 투과파

본 발명은 파장 선택 반사기에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 격자(Grating) 없이 광 도파로 만으로 특정한 파장을 선택해서 반사시킬 수 있는 구조에 대한 것이다.

현재 파장 선택 반사기는 파장분할 다중화 통신에서 특정 파장의 신호를 추출해 내거나, 혹은 광파가 생성하는 이득 물질과 집적하여 단일 모드 레이저 다이오드를 구성하거나 파장 가변 단일 모드 레이저 다이오드를 구성하는데 많이 쓰이고 있다. 이러한 파장 선택 반사기는 현재 도 3과 같이 도파로에 회절격자를 구성하여 구현하고 있다. 이와 같은 구조는 Bragg 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)이고, 이것의 동작원리는 격자에 의해 생성되는 반사파 중 격자의 주기와 위상정합 조건을 만족하는 파장을 선택적으로 반사시켜 동작 된다. 그러므로 격자구조의 파장 선택 반사기를 구성하는데 있어서 핵심적인 요소는 격자 주기를 제어하는 것과 각 격자에서 발생하는 광파의 반사를 일정하게 만드는 것이다.

이와 같은 Bragg 반사기는 도파로에 제작하거나 회절격자가 형성된 기판에 도파로를 형성해야 하기 때문에 도파로의 형성 전이나 후에 회절격자를 형성하는 공정이 필요하게 되고, 이에 따라 추가적인 장비 및 기술을 필요하게 된다.

이하 Bragg 반사기를 제작하기 위해 필요한 회절격자 제조 공정에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 첫 번째는 기판이나 광 도파로에 직접 전자빔(e-beam)을 주입해서 회절격자를 형성하는 방법이다. 매우 주기가 정밀한 회 절격자를 생성할 수 있지만 이러한 공정으로 제작하기 위한 장비의 비용이 매우 고가이고, 대량생산에 적합하지 않고 공정과정 중 진동에 취약하다는 단점이 있다. 두 번째는 위상 마스크(Phase Mask)를 이용하는 방법이다. 이 방법은 회절격자가 형성된 위상 마스크에 자외선을 조사해서 마스크에 형성된 회절격자에 의해 발생하는 간섭패턴으로 회절격자를 생성하는 방법이다. 대량생산에 매우 적합한 방법이지만, 회절격자 주기를 변화시킬 때마다 위상 마스크를 바꾸어야 하고, 위상 마스크의 가격도 매우 고가이기 때문에 다양한 주기의 회절격자를 형성하는데 부적합하다. 세 번째는 로이드 간섭계(Lloyd interferometer) 등을 이용하여 빛의 간섭특성을 이용해서 회절격자를 형성하는 방법이다. 간단한 광학계를 이용해서 생성 가능하고 대량생산에도 적합하지만 제작 시 진동에 매우 취약하고 공정조건이 무척 까다롭다는 단점이 있다.

이와 같이 형성된 회절격자를 이용해서 파장 선택형 반사기를 구성하기 위해서는 회절격자가 형성된 부분을 도파로로 구성해서 도파된 광파에 영향을 미쳐야 하는데 이때 도파로를 구성하기 위해서는 회절격자 상단에 추가적인 물질의 성장이 필요하게 된다. 일반적으로 반도체 공정에서 물질을 성장시키기 위해서는 고온, 고압 상태를 유지해야 하는데 이러한 환경은 회절격자에 많은 나쁜 영향을 미치게 된다. 물질의 성장 도중 회절격자가 무너진다거나 회절격자와 새로 성장된 물질의 계면에서 발생하는 결함에 의해 손실이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 손실특성의 저하나 광학적 특성이 나빠질 수 있으며, 이것들은 수율에 많은 영향을 미치게 된다. 이러한 이유로 현재까지의 회절격자 구조의 파장 반사기는 대량생산이 어려운 많은 문제점이 있다.

본 발명은 대량생산이 어려운 회절격자 구조가 포함되는 종래의 파장 선택 반사기를 대치하여 공정이 용이한 평판 도파로형 파장 선택 반사기를 제공함에 목적이 있다.

이와 같은 목적을 구현하기 위해서 본 발명에서는 링 공진기 반사기 (CRR: Coupled-Ring Reflector) 구조를 이용하여 복잡한 제작 공정 없이 광 도파로 소자의 제작과 동시에 파장 선택 반사 기능을 가지는 반사기를 실현함으로써, 저가의 대량 생산 가능한 반사형 광 파장 필터를 얻고자 하는 것이다.

이 파장 선택 반사기의 명칭은 앞으로 영문 머리글자 CRR (Coupled-Ring Reflector)로 표기한다. CRR은 도 1에 도시된 바와 같이 직선 도파로(11)로 들어오는 광파가 첫 번째 링 공진기(12)로 결합 되어 시계 방향의 광파를 여기하고, 이 광파가 두 번째 링 공진기(13)로 결합 되어 반 시계 방향의 광파를 여기 한 후 이 광파가 다시 직선도파로 (11)의 역방향 광파를 여기 한다. 도 1에 사용되는 도파로의 단면 구조의 예는 도 2에 예시한 바와 같이, 매립형 도파로(21)이거나 리지형(Ridge 형)(22) 등의 구조를 가질 수 있다. 여기서 도파로를 구성하는 물질은 GaAs, InP 계열의 화합물 반도체, Silica 와 같은 유리(glass) 재질, 폴리머 (Polymer)등의 고분자소재로 구성이 가능하다. 도파로의 구조는 광파가 각각의 재질에 따라 단일 모드로 도파 되도록 구성한다. 이러한 도파로는 기본적으로 사진인화공정(Photo Lithography)으로 쉽게 제작할 수 있기 때문에 본 발명에서의 구조는 쉽게 구현 가능하다.

또한, CRR 구조는 도 1의 구조 이외에도 도 5와 같이 전반사 거울(51)과 다중모드 간섭 결합기(52)로 구성이 가능하다. 여기서 전반사 거울(51)은 링 공진기(12)(13)를 작은 면적에 구현하는 역할을 하고 다중모드 간섭 결합기는 직선 도파로와 링, 또는 링과 링 사이의 파워 교류를 가능케 하는 역할을 한다.

본 발명에서 제안하는 CRR 구조는 회절격자 구조보다 쉽게 제작 가능하기 때문에 파장분할 다중 광통신 시스템 (WDM: Wavelength Division Multiplexing)의 채널 선택용 광 필터로서 널리 활용될 수 있다.

또한, 현재 집적된 형태의 단일 모드 레이저 다이오드나 파장 가변 레이저 다이오드의 경우 회절격자 구조의 파장선택 반사기를 광파가 생성되는 이득영역에 집적하거나 이득영역 양 단에 집적하여 공진 되는 파장을 선택하여 단일 모드 레이저 다이오드를 구성하고 있다. 파장 선택 반사기로 사용되는 회절격자 대신 CRR 구조를 이득영역 혹은 이득영역 사이에 집적하여 단일 모드 레이저 다이오드를 구성할 수 있다. 레이저 다이오드의 기본적인 구동원리는 회절격자를 이용한 구조나 CRR 구조는 같은 원리로 동작 되게 되며, 단지 제작의 편리성을 증대되는 효과를 취할 수 있다.

일반적으로 GaAs나 InP로 구성된 광 도파로에 전극을 형성하여 전류를 흐르 게 하면 플라즈마 효과에 의해 굴절률을 변화시킬 수 있으며, GaAs, InP, Silica, 폴리머 도파로의 경우 외부에 인가되는 열에 의해 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이러한 굴절률의 변화를 통해 CRR의 반사되는 파장을 변화시킬 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용하여 CRR이 집적된 레이저 다이오드의 경우 CRR의 굴절률의 변화를 통해 발진 되는 광파의 파장을 변화시킬 수 있으므로 파장 가변 레이저 다이오드로 동작할 수 있게 된다.

본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 InP 기반의 재료로 구성된 CRR을 고려한다. InP 기반으로 구성된 CRR 은 이득 영역과 집적되어 반도체 레이저 등을 형성할 수 있게 된다. 본 실시 예에 사용된 광 도파로의 유효 굴절률 (Effective Refractive Index)은 3.29로 가정하였다. 이와 같은 재료에서 링 사이의 결합 비율 (한 링 공진기에서 방향성 결합기를 통하여 다른 링 공진기로 전달되는 광 파워의 비율, 도 1에 표기된

₀)을 8%라고 가정했을 때의 광 파워 반사율을 계산한 결과를 도 3에 도시하였다. 여기서 입출력 직선 도파로와 링 공진기 사이의 결합 비율(

_in,

₁)이 50, 55, 60, 70%인 경우에 파장에 따른 파워 반사율을 보였다. 결합 비율이 50%인 경우는 중심 파장 근처에서 딥(dip) 형태의 반사 특성이 발생하고, 55%인 경우는 딥이 없어지면서 중심파장 근처에서 평탄한 필터 특성이 나타난다.

결합비율이 60%이면 Gaussian 형태의 필터 특성이 발생하고 70%가 되면 공진기의 Q-factor가 저하되면서 반사율이 저하되는 특성을 보이게 된다. 여기서는 특정한 몇 가지 경우의 반사 특성을 예들 들어 보였지만, 링 공진기 사이의 결합 비율 및 직선 도파로와 링 공진기 사이의 결합 비율의 조합에 따라서 반사 스펙트럼의 모양은 다양한 형태를 보이게 된다.

· DBR (Distributed Bragg Reflector) 구조를 사용하지 않음으로써 광집적회로 반사기의 구현 공정을 단순화시킬 수 있다.

· 두 개의 링 공진기 및 직선도파로 사이의 광 파워 결합을 통하여 파장 선택적인 반사를 얻을 수 있다.

· 링 공진기와 직선 도파로 사이의 결합 비율을 조절함으로써 반사 스펙트럼의 형태를 조절할 수 있다. 즉, 반사 스펙트럼의 형태가 낙타 봉 형태, 평탄 형태, 또는 Gaussian 형태가 되도록 조절 가능하다.

· 반사율의 크기 또한 결합 비율의 조절을 통하여 조절할 수 있다.

Claims

상호 간에 광 파워의 교류가 가능한 링 형의 도파로 공진기 한 쌍(12)(13)과, 상기 한 쌍의 링 형의 도파로 공진기들과 광 파워 교류가 가능한 입출력 직선 도파로(11)로 구성된 링 결합 반사기 구조.
청구항 1항에 있어서, 상기 도파로의 구성물질은 GaAs 와 InP 계열의 화합물 반도체, Silica 재질의 유리 및 폴리머 등의 고분자 소재 중 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 링 결합 반사기 구조.
청구항 1항에 있어서, 상기 도파로의 구조는 각각의 구성물질에 따라 단일 모드로 광파가 도파되는 특징을 가진 도파로로 구성된 링 결합 반사기 구조.
상호 간에 광 파워의 교류가 가능한 도파로 공진기 한 쌍과, 상기 한 쌍의 도파로 공진기들과 광 파워 교류가 가능한 입출력 도파로로 구성된 링 결합 반사기 구조에 있어서,

상기 도파로 공진기는 전반사 거울(51)이 포함된 다각형 링 구조이고, 광 파워의 교류는 다중모드간섭 결합기(52)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 링 결합 반사기 구조.